DİSTİLASYON KOLON TASARIMI
25 ℃ de ağırlıkça %33 toluen içeren besleme akımı 11250 kg/h debideki tolüenetilbenzen sıvı çözeltisi raflı bir kolonda 760 mmHg basıncında ayrımsal damıtmaya tabi
tutularak ağırlıkça %96.5 toluen içeren bir üst ürün ile yine ağırlıkça %97,5 etilbezen içeren
alt ürüne ayrılacaktır. İşlemde min. Geri akım oranının 1.83 katına eşit bir geri akım oranı
kullanılacaktır.
 şğ = log(∗ ) =  − (
Adı
T©
A
ETİLBENZEN 112,00
TOLUEN
T
P*e
P*t
Xe
Xt
Ye
Yt
x
y
110,60
361,51
759,33
1,41
0,33
0,32
0,33
1,00
1,00
112,00
377,60
790,24
0,66
0,64
0,33
0,34
0,93
0,96

)
+
B
7,16
7,14
115,00
414,01
859,85
0,61
0,59
0,36
0,37
0,78
0,88
C
1559,55
1457,29
118,00
122,00
453,21
510,08
934,23 1041,24
0,55
0,49
0,55
0,49
0,40
0,45
0,41
0,45
0,64
0,47
0,78
0,64
228,58
231,83
Tmin
Tmax
P* (mmHg)P*(ATM)
-95,00
344,02
377,60
0,50
-94,97
318,64
790,24
1,04
125,00
127,00
129,00
556,40
589,10
623,34
1127,65 1188,34 1251,56
0,45
0,43
0,40
0,45
0,43
0,41
0,49
0,52
0,55
0,49
0,52
0,54
0,36
0,29
0,22
0,53
0,45
0,36
131,00
659,14
1317,39
0,38
0,39
0,58
0,57
0,15
0,27
135,00
735,69
1457,17
0,34
0,35
0,65
0,63
0,03
0,06
136,20
759,99
1501,29
0,33
0,09
0,67
0,65
0,00
0,00
Önce “Sabit molar akım şartları”nın olup olmadığı kontrol edilir.
⋋toluen = 7985
cal 4.18 

∗
= 33377,3
mol 

⋋etilbenzen = 8491
(3)
cal 4.18 
kj
∗
= 35492,38
(3)
mol 
kmol
Aradaki fark çok küçük olduğundan “Sabit molar akım şartları” geçerlidir.
F =
11250 ∗ 0,33
92,14
+
11250 ∗ 0,67
= 111,29 Kmol/h
106,17
0,33
92,14
zF =
= 0,36
0,33
0,67
+
92,14 106,17
0,965
92,14
xD =
= 0,97
0,965
1 − 0,965
92,14 + ( 106,17 )
1
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
xW
0,025
92,14
=
= 0,029
0,025 0,975
+
92,14 106,17
D=
F ∗ (zF − xW ) 111,29 ∗ (0,36 − 0,029)
kmol
=
= 39,15
(xD − xW )
0,97 − 0,029
h
F = D + W − −> W = F − D = 111,29 − 39,15 = 72,14
kmol
h
Besleme sıvısının termal şartlarını belirleyebilmek için kabarcıklaşma sıcaklığını bilmemiz
gerekir
KABARCIKLAŞMA SICAKLIĞI
Adı
T©
A
B
C
Tmin
Tmax
P* (mmHg) P*(ATM)
ETİLBENZEN 125,8000
7,1561 1559,5500
228,5820
-95,0000
344,0200
569,2989
0,7491
TOLUEN
7,1362 1457,2900
231,8270
-94,9700
318,6400 1151,6272
1,5153
molce debi P
yi
Tyi
ETİLBENZEN
0,6700
760,0000
0,5019
1,0019
TOLUEN
0,3300
760,0000
0,5000
(2)
Kabarcıklaşma sıcaklığı aynı zamanda T-xy grafiğinden de bulunabilir.
2
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
CFL için ortalama sıcaklık (25+125,8)/2=75,4 ℃ alınır. TF = 25℃ olduğundan beslemenin
soğuk sıvı olduğu anlaşılır.
Burada beslemenin molar gizli ısısı ile ortalama buharlaşma gizli ısısı
a
b
c
d
T
Cp
ETİLBENZEN 102,111 0,55959 -0,00156 2,01E-06
348,55 192,8465
TOLUEN
83,703 0,51666 -0,00149 1,97E-06
348,55 166,1718 (1)
cFL = 0,36 ∗ 166,17 + (1 − 0,36) ∗ 192,85 = 183,25
̅̅̅̅
⋋toluen = 33409
kj
kmol
⋋etilbenzen = 35526
̅=
⋋
kj
kmol ∗ °K
kj
kmol
( 33377,3 + 35492,38)
kj
= 34436
2
kmol
q=1+
cFL ∗ (t Fb − t f )
183,25 ∗ (125,8 − 25)
=1+
= 1,54 bulunur.
̅
⋋
34436
q doğrusunu çizebilmek için aşağıdaki denklemden yararlanırız,
yq =
q
zF
1,54
0,36
∗ xq –
=
∗ xq –
q−1
q − 1 1,54 − 1
1,54 − 1
yq = 2,85 ∗ xq − 0,66 bu denklemin eğimi bize q doğrusunun eğimini verir.
3
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Kayma grafikten 0,325 olarak okundu.
R Dmin =
xD
− 1 = 1,98
Kayma
R D = R Dmin ∗ 1,83 olarak kabul etmiştik.
R D = 1,98 ∗ 1,83 = 3,63 bulunur.
yn+1 =
RD
xD
∗ xn +
= 0,784 ∗ xn + 0,209
RD + 1
RD + 1
Denklemin eğimi zenginleşme bölgesi işletme doğrusunu verir.
4
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
L = D ∗ R D = 39,15 ∗ 3,63 = 142,11
kmol
h
G = D ∗ (1 + R D ) = 39,15 ∗ (1 + 3,63) = 181,26
kmol
h
L̅ = L + q ∗ F = 142,11 + 1,55 ∗ 111,29 = 314,61
kmol
h
̅ = L̅ − W = 314,61 − 72,14 = 242,47
G
kmol
h
Raf Sayısının Kolerasyonla Hesabı:
’ = 0,46
’ = 0,63
=
 ∗ (1 − ) 0,63 ∗ (1 − 0,46)
=
=2
 ∗ (1 − ) 0,46 ∗ (1 − 0,63)
( ∗ ( − 1) +  ∗ ( + 1))
 ∗  +  ∗ 
=
 ∗ (1 −  ) +  ∗ (1 −  ) ( + 1) ∗ (1 −  ) + ( − 1) ∗ (1 −  )
  = 2,03 .
Kolon tepesinde ;
y=0,965
x=0,935
Kolon dibinde ;
y=0,07
x=0,03
 = √ ∗ 
 =
0,965 ∗ (1 − 0,935)
= 1,917
0,935 ∗ (1 − 0,965)
 =
0,07 ∗ (1 − 0,03)
= 2,434
0,03 ∗ (1 − 0,07)
 = √1,917 − 2,434 = 2,16
log
 =
 ∗ (1 −  )
0,97 ∗ (1 − 0,029)
log
 ∗ (1 −  )
0,029 ∗ (1 − 0,97)
=
= 9,07
log 
log 2,16
5
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
 –  3,63 − 2,03
=
= 0,345
1 + 
1 + 3,63
 − 
= 0,35
+2
 − 9,07
= 0,35
+2
N=15,03
 = (
15,03 − 15
) ∗ 100 = %0,2
15

2,03
=
= 0,67
1 +  1 + 2,03

3,63
=
= 0,784
1 +  4,63
6
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK

= 0,69

9,07
=
0,69
N=13,14
 = (
13,14 − 15
) ∗ 100 = %12,4
15
7
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Soyulma bölgesi için kolon çapı hesabı :
t N = 135℃ xN = 0,03 yN = 0,06
xN (ağırlıkça) =
L̇ = L̅ ∗ ̅̅̅̅
ML = (
F(molce) ∗ xN (molkesri) ∗ Mtoluen 111,29 ∗ 0,03 ∗ 92,14
=
= 0,027
F(ağırlıkça)
11250
314,61
kg
) ∗ (0,03 ∗ 92,14 + 0,97 ∗ 106,17) = 9,24
3600
s
242,47
kg
̅ ∗ ̅̅̅̅
Ġ = G
MG = (
) ∗ (0,06 ∗ 92,14 + 0,94 ∗ 106,17) = 7,09
3600
s
135℃’de ;
A
etilbenzen 0,28889
toluen
0,29999
ρtoluen
= 753
L
B
0,26438
0,27108
n
0,2921
0,29889
tc
617,17
591,79
t
408,15
408,15
0,762
0,753 (1)
kg
m3
ρetilbenzen
= 762
L
kg
m3
8
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
a
etilbenzen
toluen
tc
66
66,85
σtoluen = 0,0155
n
617,17
591,79
t
1,268
1,2456
σ
408,15
408,15
0,01672
0,01556 (1)
N
m
σetilbenzen = 0,0167
N
m
σ = 0,027 ∗ 0,0155 + (1 − 0,027) ∗ 0,0167 = 0,0167
ρL = 0,027 ∗ 753 + 0,973 ∗ 762 = 761,76
kg
m3
̅̅̅̅
MG = 0,06 ∗ 92,14 + 0,94 ∗ 106,17 = 105,33
ρG =
N
m
kg
kmol
̅G
Pdip ∗ M
1,07 ∗ 105,33
kg
=
= 3,37 3
R∗T
0,082 ∗ (273 + 135)
m
(kolonun dip basıncı 1,07 atm olarak kabul edilmiştir.)
L
Kabuller : P. S = 0,6m , DW = 0,69 , hW = 50 mm , dh = 5 mm , PT = 2,5 ∗ dh (∆) ve
taşma yüzdesi = 70
c
FLG =
L̇ ρG 9,24
3,37
√
=
= 0,086
√
Ġ ρL 7,09 761,76
Grafikten P.S=0,6 m için K1 = 0,1 olarak okundu.
9
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
2
Ah
dh 2
5
= 0,907 ∗ ( ) = 0,907 ∗ (
) = 0,145
Aa
PT
2,5 ∗ dh (∆)
Tablodan ;
Ah
≥ 0,1
Aüa
için f = 1,0 olarak bulunur.
Düzeltilmiş kapasite faktörü ;
K1c
σ 0,2
0,0167 0,2
= K1 ∗ f ∗ (
) = 0,1 ∗ 1 ∗ (
) = 0,096
0,02
0,02
UGF = K1c √(ρL − ρG )/ρG
761.76 − 3,37
m
UGF = 0,096√
= 1,44
3,37
s
Taşma hızının %70 alınarak
UG = 0,70 ∗ 1,44 = 1,01
m
olarak çalışma hızı bulunur
s
Tablodan;
Lw
= 0,69 için
Dc
a=
Ad
= 0.0833 olarak bulunur.
Ac
Kolon Çapı:
0,5
4G′
Dc = [
]
πρG uG (1 − a)
Dc = [
0,5
4 ∗ 7,09
]
π ∗ 3,37 ∗ 1,01 ∗ (1 − 0,0833)
Dc = 1,70 m
10
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Zenginleşme Bölgesi İçin Kolon Çapı Hesabı
L̇ = L ∗ ̅̅̅̅
ML =
142,11
kg
∗ (0,03 ∗ 92,14 + 0,97 ∗ 106,17) = 4,17
3600
s
Ġ = G ∗ ̅̅̅̅
MG =
181,26
kg
∗ (0,06 ∗ 92,14 + 0,94 ∗ 106,17) = 5,30
3600
s
FLG =
L ρG 4,17 3,37
√
= 0,052
√ =
G ρL
5,3 761,16
K1 = 0,11 okunur;
2
Ah
dh 2
5
= 0,907 ∗ ( ) = 0,907 ∗ (
) = 0,145
Aa
PT
2,5 ∗ dh (∆)
Tablodan ;
11
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Ah
≥ 0,1
Aüa
için f = 1,0 olarak bulunur.
Düzeltilmiş kapasite faktörü ;
K1c
σetilbenzen 0,2
0,0167 0,2
= K1 ∗ f ∗ (
) = 0,11 ∗ 1 ∗ (
) = 0,106
0,02
0,02
UGF = K1c √(ρL − ρG )/ρG
761.76 − 3,37
m
UGF = 0,106√
= 1,59
3,37
s
Taşma hızının %70 alınarak
UG = 0,70 ∗ 1,59 = 1,11
m
olarak çalışma hızı bulunur
s
Tablodan;
Lw
= 0,69 için
Dc
a=
Ad
= 0.0833 olarak bulunur.
Ac
Kolon Çapı:
0,5
4G′
Dc = [
]
πρG uG (1 − a)
Dc = [
0,5
4 ∗ 5,3
]
π ∗ 3,37 ∗ 1,11 ∗ (1 − 0,0833)
Dc = 1,40 m olarak bulunur
Kolon Kesit Alanı:
Ac = 0,785(Dc )2
Ac = 2,268 m2
12
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Sıvı Taşma Kanalının Alanı:
Ad = Ac ∗ a = 2,268 ∗ 0,08333 = 0,189 m2
Net Alan:
An = Ac − Ad = 2,268 − 0,189 = 2,08 m2
 =  –  = 2,08 − 0,189 = 1,89 2
Toplam Delik Alanı:
Ah = 0,145 ∗ Aa = 0,145 ∗ 1,89 = 0,274 m2
Toplam Delik Sayısı :
( ∗  ∗ ℎ2 )
ℎ =
∗ 10−6
4
 = 13955
1    ∶
13955
= 931
15
Savak Boyu:
Lw = 0,69 ∗ Dc
Lw = 0,69 ∗ 1,7
13
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Lw = 1,173 m
FLG = 0.086 ve %70 taşma hızı için:
E = 0,022 bulunur
Bu değer 0,1'den küçük olduğu için sıvı taşınması ihmal edilebilir.
Ağlamanın Kontrolü:
Buharların delikten geçiş hızı:
uh =
G
7,09̇
m
=
= 7,678
ρG Ah 3,37 ∗ 0,274
s
Savak Üstü Sıvı Yüksekliği:
2
2
how
3
̇
L̇ 3
9,24
= 750 [
] = 750 [
] = 35,6 mm
ρL Lw
761,76 ∗ 1,173
hw = 50mm kabul edilmiştir.
hw + how = 50 + 35,6 = 85,6 mm
14
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Şekilden K 2 = 30,9 olarak bulunur.
Buharın deliklerden minimum geçiş hızı :
uhm =
K 2 − 0,9 ∗ (25,4 − dh )
ρ0,5
uhm =
30,9 − 0,9 ∗ (25,4 − 5)
3,370,5
uhm = 6,83
m
s
uh > uhm aradaki fark (%11) ufak olduğundan güvenli değil. (%20’den büyük olmalı). uh ′ın
artırılması gerekmektedir. Bunu aktif alana az delik delerek sağlayabiliriz.
PT
= 2,5 den 2,7′ e yükseltilir.
dh
Ah
1 2
= 0,907 ( ) = 0,124
Aa
2,7
Ah
> 0,1 olduğundan f = 1
Aa
K1c ve Dc değişmez
Ah = 0,124 ∗ 1,89 = 0,234 m2
uh =
7,09
m
= 8,99
3,37 ∗ 0,234
s
Minimum hızdan %20 daha büyük olduğu için emniyetli çalışma için yeterlidir.
Raf boyunca buharda meydana gelen basınç düşüşünün hesabı
1 2 ρG
ho = 51 ( ) ∗ ( ) ∗ u2h
Co
ρL
 ğ 4 
=
= 0,8
 Ç
5 
15
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Co = 0,81 bulunur.
ho = 51 (
1 2
3,37
) ∗(
) ∗ 8,992 = 27,79 mm sıvı yüksekliği
0,81
761,76
Raf üzerindeki havalandırılmış sıvıdan geçişte buharda meydana gelecek basınç düşüşü;
ha = Qp (hw + how )
Şekilden Qp = 0,61 bulunur.
16
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
ha = 0,61(50 + 35,6) = 52,216 mm Sıvı Yüksekliği
Raf boyunca buharda meydana gelecek toplam basınç düşüşü
ℎ = ℎ + ℎ = 27,79 + 52,216 = 80   üğ
hT ρL 80 ∗ 761,76
=
= 4,48 mmHg
kg
ρciva
13600 3
m
Bu değer atm basıncında çalışan ayrımsal damıtma kolonları için makul sayılabilir.
Taşıma kanalında akan sıvının raf girişindeki daralmadan geçişte karşılaşacağı basınç düşüşü:
hpe
2
L̇
= 166 [
]
ρL Ape
Ape = Lw ∗ hdc ∗ 10−3 m2
Sıvının rafa girişte akacağı daralmanın kesit alanı
hdc = hw − 10 = 50 − 10 = 40 mm
Ape = 1,173 ∗ 40 ∗ 10−3 = 0,0469 m2
hpe
2
9,24
= 166 ∗ (
) = 11,1 mm sıvı yüksekliği
761,76 ∗ 0,0469
Taşıma kanalındaki sıvı seviyesinin hesabı
hda =
(hw + how + hT + hpe )
= 289,67 mm
0,61
1
(P. S)103 > hda olduğu için hda kabul edilebilir.
2
Sıvının taşma kanalındaki kalış süresinin hesabı
Qdr =
AD (P. S)
0,6
= 0,189 ∗
= 9,35 saniye
9,24
L̇
791,76
ρL
Qdr > 5s olduğundan yeterlidir.
Pdip = PTepe + Ngercek ∗ ht
x15 = 0,03
135℃
y1 = 0,965
112℃
135 + 112
= 123,5 ℃ için:
2
x = 0,405
17
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
y = 0,585
μ hesabı: A
B
C
D
T
μ
ETİLBENZEN -5,2585
830,65 0,010784 -1,1E-05
396,65 0,277073
TOLUEN
-5,1649
810,68 0,010454
-1E-05
396,65 0,23736 (1)
μtoluen = 0,237
μetilbenzen = 0,277
α=
y(1 − x) 0,585(1 − 0,405)
=
= 2,07
x(1 − y) 0,405(1 − 0,585)
Beslemenin , ℃ deki molar ortalama viskozitesi
μFL = 0,67 ∗ 0,277x10−3 + 0,33x0,237x10−3 = 2,638x10−4
α ∗ MFL = 2,067 ∗ 2,638x10−4 = 5,46x10−4
kg
ms
kg
ms
Eo = 0,58
Ngerçek raf =
15
= 26
0,58
Pdip = 1 + 26 ∗
4,48
= 1,15 atm
760
İlk başta kabul edilen  basıncı 1,07 atm’idi. Bu iki değer arasındaki hata %10’dan küçük
(%7) olduğu için baştaki kabul geçerlidir.
18
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Toplam kolon uzunluğu ;
 = (Kolon Üst Boşluğu)+(Raf Sayısı-1)*(P.S)+(Besleme İçin Ek Yükseklik)+(Kolon Alt
Boşluğu)
 =1,5*P.S+(Raf Sayısı-1)*(P.S)+0,25*P.S+1,5*P.S
 =1,5*0,6+(15-1)*0,6+0,25*0,6+1,5*0,6=10,35 m
Sonuç Tablosu
P.S.
= 0,6 m
Taşma yüzdesi
ℎ
= 50 mm
E
= 0,022
ℎ
= 5 mm
ℎ
= 8,99 m/s
( ğ)
= 4 mm
ℎ
= 6,83 m/s

= 13,5 mm

= 9,35 s

= 1,70 m

= 1,15 atm

= 1,173 m
ℎ
= 289,67 mm
ℎ
= 40 mm
(1   )
= 931
ç
= 26
= 70
19
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Kaynaklar
Chemical Properties Handbook, Carl L. Yaws
(1)
Antonie Coefficients For Vapor Pressure, (www.irche.com) (2)
Handbook of Organic Solvent Properties, lan M. Smallwood (3)
20
O.Okan YEŞİLYURT – Gökhan IŞIK
Download

Download the PDF file